因地處南流的滹沱河向北面彎曲的一曲，且在水之陽得名，一直沿用至今。《山西通志》載：“後漢末魏武徙陽曲民於太原北狼孟南筑城居之”。《讀史方輿紀要》亦載：“後漢末（陽曲縣）移至太原縣北四十五千米”。二書所指，均為陽曲鎮。故《中國古今地名大辭典》稱陽曲縣為“漢時陽曲故治也”。
春秋屬晉，晉頃公十二年（前514），祁奚之孫祁盈觸法，大夫魏獻子（舒）治理政務，分原祁氏之田為鄔、祁、平陵、梗陽、塗水、馬首、盂等七邑。據考，晉盂邑即為今大盂一帶。戰國時，析晉陽邑部分在今黃寨鎮黃寨村東置狼孟，為趙邑。《讀史方輿紀要》載："狼孟縣，俗名黃頭寨，在太原府北七十里"。黃頭寨即今黃寨村，遺址尚存。
秦統一六國後，實行郡縣制，以郡統縣，置狼孟縣，隸屬太原郡。西漢復置盂縣。
漢初，以太原郡21縣和雁門郡轄縣改置韓國，後改置為代國。
武帝元鼎三年（前114），廢除代國，復置太原郡。時狼孟縣、盂縣、汾陽縣均隸屬於幷州刺史部太原郡。新莽時改狼孟縣為狼調縣。
東漢建武二年（26），改太原郡為太原國，建武十四年（38），廢太原國復置太原郡。期間，廢汾陽縣。狼調縣、盂縣先後屬太原國、太原郡。
漢末，建安二十年（215），原陽曲縣（在今定襄縣境內）荒廢，曹操遷陽曲縣民於今太原市北郊區陽曲鎮一帶新置陽曲縣。《中國古今地名大辭典》載：陽曲鎮"漢時陽曲故治也"。陽曲縣與狼調縣、盂縣同屬太原郡。
西晉泰始元年（265），改太原郡為太原國。太康五年（284），復置太原郡。陽曲縣、狼調縣、盂縣同屬之。東晉廢盂縣，改狼調縣為狼孟縣。北魏廢狼孟縣併入陽曲縣，隸屬肆州永安郡。北周時改屬肆州雁門郡。隋唐兩代分合頻繁。
隋開皇初年，文帝以姓楊惡其曲名，改陽曲縣為陽直縣，十六年（596）更名為汾陽縣，並分置盂縣。大業初又廢盂縣併入汾陽縣，大業末改汾陽為陽直縣，移治木井城，木井城即今東黃水鎮故縣村。義寧（618）初，分陽直縣地在今縣境凌井店一帶置撫城縣。陽直縣、撫城縣同屬太原郡。唐武德初，改撫城縣為烏河縣。三年（620），分陽直縣地置汾陽縣。七年（624），廢陽直縣，改汾陽縣為陽曲縣，並在今東黃水鎮西、南、北洛陰村一帶分置洛陰縣。
貞觀元年（627），李世民將州、縣加以並省，烏河縣併入盂縣（今盂縣），洛陰縣併入陽曲縣。六年（632），燕然山（今蒙古國境內）一帶蘇農部落少數民族內遷，置燕然縣，八年（634），僑置於陽曲境內（今太原西北35千米），十七年（643）併入陽曲縣。自此，縣境統稱陽曲縣。唐初屬幷州太原郡，開元十一年（723）後屬太原府。
北宋太平興國四年（979），北漢降宋，太宗惡晉陽人民負隅頑抗，毀晉陽城，降太原府為幷州軍事，移幷州治於縣界三交寨，不久又移至榆次，七年（982），因榆次"地非要會"，將州治從榆次遷至縣南唐明鎮，並遷縣治於太原城西郭外。熙寧三年（1070），廢平晉縣入陽曲縣。政和五年（1115），復置平晉縣。金天會年間，實行路、府（州）、縣三級地方行政。太原為府，陽曲縣治移入府城，為太原府治所在地，屬河東北路太原府。
元世祖二十七年（1290），實行中書省、路、州、縣四級建制，陽曲縣先後屬太原路、冀寧路，為路治所在地。
明洪武年間，廢冀寧路，復置太原府，並承襲元制，設山西為行中書省（後改為山西都指揮司、山西承宣布政使司），治所均駐陽曲縣城。
清襲明制，改明山西承宣布政使司為山西行省，以陽曲縣城為省會，並保留太原府建置，治所均在陽曲縣城。太原府隸一州八縣，陽曲縣為府直隸縣，縣治所駐縣前街（今太原市縣前街）。
中華民國初，廢除府、直隸州、州的建置，裁府留縣，實行省、縣兩級建置，後又於省、縣之間增設道的建置，以道轄縣，陽曲屬冀寧道，省直轄縣，縣衙駐府城皇華館（今太原）。民國16年（1927），廢道。陽曲縣為山西省會、一等縣。
民國26年（1937）10月，山西全省劃為7個行政區（政治區），陽曲縣屬第四區。11月，日本侵略軍侵佔太原，民國陽曲縣政權移駐河口鎮，皇華館改駐日偽陽曲縣政權，並在今黃寨鎮黃寨村設陽曲辦事處。同年1月，晉察冀邊區陽曲縣抗日民主聯合政府成立，駐楊興村，隸屬山西省第一行政區政治主任公署。
民國27年（1938），閻錫山調整行政區劃，陽曲縣改屬第八行政區。9月，晉察冀邊區陽曲縣抗日民主聯合政府被迫取消。
1940年2月，以同蒲鐵路為界，鐵路東成立晉察冀陽曲縣抗日民主縣佐公署（習稱東陽曲縣），同年改稱東陽曲縣抗日民主政府，駐今溫川鄉麻黃溝，隸屬晉察冀邊區第一專署。鐵路西成立晉綏陽曲縣抗日民主政府（習稱西陽曲縣），縣政府駐今古交市閣上鄉獅子村，隸屬晉西北第八專署。次年，西陽曲縣劃歸晉西北第三專區。
1942年9月，東陽曲縣東部地區與盂縣西部地區合併成立盂（縣）陽（曲）縣抗日民主政府，縣政府先後駐溫川鄉麻黃溝和盂縣銅爐，隸屬晉察冀邊區第一專署。10月，西陽曲縣改屬晉西北第八專署。
1943年1月，在東黃水、黃寨、侯村、小返等地組建東陽曲縣中心區抗日民主政府。次年2月，改為東陽曲縣抗日民主縣佐公署，駐今東黃水鎮馬駝村，隸屬晉察冀邊區第一專署。秋，晉察冀邊區第一專署改稱第二專署，東陽曲縣抗日民主縣佐公署和盂（縣）陽（曲）縣抗日民主政府改屬晉察冀邊區第二專署。1945年2月，東陽曲縣抗日民主縣佐公署改為東陽曲縣抗日民主政府，駐凌井店鄉凌井店村，隸屬晉察冀邊區第二專署。西陽曲縣抗日民主政府，駐今古交市閣上鄉獅子村（9月後，西陽曲縣政府先後改駐今古交市解家灘、縣境西莊鄉官莊村），隸屬晉綏邊區呂梁行署第八專署。至此，陽曲縣境內出現西陽曲縣、東陽曲縣、盂（縣）陽（曲）縣三個抗日民主政府並存的局面。同年8月，民國山西省政府重返太原市，民國陽曲縣政府仍駐皇華館。9月，撤銷盂（縣）陽（曲）縣建制，原盂（縣）陽（曲）縣所轄地區歸東陽曲縣管轄，縣政府先後駐凌井店、石槽、賈莊、楊家掌、北溫川等村，隸屬冀晉區第二專署。日偽時期，恢復道制，陽曲縣屬偽雁門道，道尹公署駐榆次，陽曲縣仍為一等縣。
1948年8月，經華北人民政府決定，成立晉中行署。東、西陽曲縣民主政府合併，成立陽曲縣人民政府，治所在今縣境高村鄉辛莊村。同年11月2日，黃寨解放，3日，陽曲縣人民政府遷到黃寨村，隸屬晉中行署第一專署。次年3月，晉中行署與太原市人民政府合併，陽曲縣改屬太原行署第一專署。4月24日，縣城（今太原城）解放，陽曲縣人民政府接管小組隨軍入城，在皇華館接管民國陽曲縣政府。9月，山西省人民政府成立，陽曲縣改屬忻縣專署。
1958年，陽曲縣劃歸太原市。此後，陽曲縣建置歸屬再無變化，一直沿用至今。
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